Utveckling av tekniker för 3D-nanoprintning at Uppsala Universitet

3D-nanoprinting med olika stora volymsceller

Bakgrund

Additiv tillverkning (additive manufacturing: AM) förväntas förändra viktiga delar av tillverknings­industrin framöver och det finns många fördelar i samklang med en hållbar framtid, tex reducerad materialförbrukning, lokal behovsstyrd tillverkning och minskad energiåtgång. Det finns ytterligare fördelar som är mer relaterade till hur material och design kan skräddarsys för en speciell tillämpning och några av dessa är förbättrade prestanda, viktreduktion – vilket ger många fördelar förutom minskad energiåtgång – men kanske framförallt att helt ny funktionalitet möjliggörs. Det finns dock stora utmaningar att hantera med dagens additiva tekniker och två av dessa är ytors kvalitet samt detaljupplösningen, vilka till en stor del är kopplade. Det är möjligt att öka upplösningen genom att reducera munstycken, pulverstorlek etc men då reduceras den redan låga tillverkningshastigheten. Lite förenklat kan man säga att för att uppnå dubbelt så bra upplösning så får man acceptera att tillverkningshastigheten reduceras med en tiopotens då teknikerna ofta innebär en framställning av komponenter volymscellsvis. Det pågår försök med att tillverka mer parallellt och det kan visa sig vara en god lösning för vissa AM-tekniker. En alternativ teknik är att skriva med olika stora volymsceller och där det inte krävs hög upplösning används stora volymsceller och i de områden som har större krav så används mindre volymsceller. I vissa fall går detta att lösa med variabla munstycksöppningar, tex revolvermunstycken, men det är ofta önskvärt att utnyttja andra material för den yttre ytan eller som en kompletterande ytbeläggning. När det gäller AM-tekniker som utnyttjar munstycken så krävs det då två eller flera munstycken som har en välkontrollerad geometrisk relation till både varandra och substratet. Det föregående – avstånd mellan munstycken – kan mätas på ett flertal sätt men däremot avståndet till en ojämn substratyta är något mer komplicerat. Ett rättframt sätt är automatiserad bildbehandling av video från en kamera kopplad till ett mikroskop vilket dock ställer stora krav på bildupplösning och belysning samt kännedom om det specifika materialets optiska egenskaper. Alternativa sätt att avläsa avståndet till substratet är därför av stort intresse och detta examensarbete syftar till att undersöka möjligheterna att utnyttja elektriska mätningar för lägesmätning.

Projektbeskrivning

Projektet syftar till att ta fram AM-tekniker för medicinska implantat och i första hand handlar det om att skriva polymera kompositer. Ett första fokus kommer att vara tekniker för att integrera en bionedbrytbar polymer, polycaprolactone (PCL) med material för att stimulera bentillväxt, hydroxyapatit (HA). Både smält PCL och nanopartiklar av HA kan extruderas med hjälp av tryck och det är HA nanopartiklarna som ska fördelas på ytan med hög upplösning. Eventuellt skrivs HA nanopartiklarna med elektrohydro­dynamisk (EHD)-teknik vilket innebär att ett elektriskt fält läggs mellan kapillärspets och substrat. För att skriva med hög upplösning krävs tunna fina kapillärer och avståndet kapilläröppning-substrat måste vara kontrollerat på µm-nivå. Kapillärerna är dessutom mekaniskt ömtåliga vilket ställer ytterligare krav på välkontrollerade avstånd och därmed lägesmätningen. Projektet kan delas in i några olika faser:

  • Litteratursökning för att sammanställa forskningsfronten inom området
  • Analys av möjliga mättekniker för att mäta avstånd kapillärspets till substrat
  • Experimentella studier av lägesmätning med den teknik som verkar mest lovande
  • Experimentella studier av att skriva HA på en typisk PCL-yta med hjälp av lägesmätningstekniken som utvecklats i föregående fas
  • Sammanställning av arbetet i rapportform och muntlig redovisning

Projektet kan påbörjas under vårterminen 2020.

Kontaktperson

Stefan Johansson
Mikrosystemteknik, Ångströmlaboratoriet
Uppsala Universitet

Attention: Often you need a pre-approval from your university or study counsellor, to be sure that projects or thesis found on Future Finder can be accepted as part of your education. Please contact the right entity in due time to ensure that you're picking the right project.